50KA制鈉電解槽溫度場的數值模擬分析

米蘭 石磊 王世愛

摘 要：研究了50KA制鈉電解槽溫度場問題的數值模擬分析方法，采用有限元法計算了新的電解槽溫度場，其分析結果，為新槽體的開發設計提供了參考依據。

關鍵詞：制鈉電解槽;溫度場;數值分析;有限元法

0 ?前言

由于50KA 制鈉電解槽電解中溫度因素的影響很大，它直接影響到電解工藝能否實現。此外電能的消耗、電流效率、原材料及輔助材料的消耗及產品的質量都與溫度密切相關。為此，筆者借鑒在大型鋁電解槽的設計中物理場的研究成果[1]，采用有限元法完成其溫度場的計算分析。

1.計算方法的確定

傅里葉定律描述了熱傳導的基本規律[2]。對于平面穩定溫度場，其溫度函數應在物體所占平面區域G中滿足調和方程

由于溫度場的其他邊界條件難以確定，研究中主要采用溫度邊界條件，即已知物體表面的溫度，其中f為已知函數，表示邊界上的溫度。在計算中采用實測的溫度值。

在第一類邊界條件下，其泛函數為：

利用變分原理，建立有限元方程，在有限元系統中，熱傳導的控制方程為：

在線性穩態熱分析中。不考慮熱質量影響或溫度相關材料特征，溫度關于時間的導數，且是定常的，故控制方程可簡化為：

為了檢驗計算結果，除采用與現場實際情況相驗證的方法外。也使用了國際上比較通用的有限元計算軟件，如ANSYS等的計算結果進行驗證.

2計算模型及有限元模型

模型計算均采用三角形單元，其中模型二劃分為。1865個三角形單元，1000個節點。對于模型中某些的邊角部位加大了計算密度，以便于分析，計算的邊界條件為已知邊界條件其基礎數據根據現場實測獲得，兩側溫度為100攝氏度，底部溫度為120攝氏度。熔巖表面溫度為1100攝氏度，其他部位按線性插值.

3 計算結果分析

圖1為有限元計算結果的等溫線圖，圖中可見由于金屬熔巖等導熱系數大，其溫度梯度小于槽體，其內部溫度比較均勻，尤其在坩鍋中心，這種比較穩定的溫度分布對于提高產品質量有好處。

從圖1中可以看出，在電解槽中，各種材料相鄰處，溫度梯度發生很大變化，尤其是槽體與其他保溫材料間的變化最為明顯，這一結果提示著此區間可能產生比較大的熱應力，從而導致材料變形乃至材料破壞。這是設計中今后應考慮的方面。

4. 結 語

采用數值分析的方法，可以較高效率地進行設備的開發設計。但對于新工藝、新設備，須建立能正確描述其特征的數學物理方程，并研究其數值解方法。

本文所介紹的穩態溫度場的數學模擬，基本上能夠反映工藝條件，計算結果與實測資料也比較吻合。但對于熔鹽表面主要是熱輻射的邊界部分，有一定的誤差，需根據經驗加以處理。

參考文獻

[1] 黃永忠，王化章.鋁電解生產[M].湖南：中南工業大學出版社，2004.175- 218.

[2] 楊全，張真，金屬凝固與鑄造過程數值模擬[M].浙江：浙江大學出版社，2008.

作者簡介：米蘭，1981年9月 女 內蒙赤峰人，

烏海職業技術學院，講師，研究生學歷，企業節熱節能方向。

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目

項目類別：自然科學自籌項目

項目編號：NJZC17579

項目名稱：50KA鈉電解槽溫度場的數值模擬及現場測量與優化